第四章 离子注入..

浅结
多晶硅栅
180 nm
54 nm 砷注入层
20 Å 栅氧化层厚度
§4.3、注入损伤与退火
4.3.1 级联碰撞
因碰撞而离开晶格位置的原子称为移位原子。注入离子通过碰撞把能 量传递给靶原子核及其电子的过程，称为能量淀积。碰撞的两种形式同时 存在，当注入离子能量较高时，以非弹性碰撞为主，能量较低时，主要为 弹性碰撞，在集成电路制造中，离子注入主要为弹性碰撞。 碰撞产生移位原子。使处于晶格位置的原子发生移位所需最小能量成 为移位阈能（Ed）。注入离子与靶内原子碰撞，存在三种形式①传递能量 <Ed，没有移位原子；②传递能量>Ed<2Ed，被碰撞原子本身可以离开晶格， 并留下一个空位。③被碰撞原子移位后能量还很高，不断与其它原子碰撞。 硅的Ed＝14ev-15ev，一般会小于该能量范围，主要是由于各向异性、碰撞 的反冲方向、非弹性碰撞的能量损失、替位碰撞等等。 移位原子也称为反冲原子，与入射离子碰撞产生移位的原子，移位原子 又会和相邻原子碰撞，形成级联碰撞。造成大量靶原子的移位，形成大量 空位和间歇原子，形成损伤。级联碰撞密度不大时，只产生孤立、分开的 点缺陷，密度大时，加重损伤程度，甚至造成非晶层。
R k 2 E0
4.2.1 注入离子的纵向分布
* 注入离子的分布计算
1.平均投影射程Rp，标准偏差DR通过查表 根据靶材（Si，SiO2， Ge），杂质离子(B，P，As) 能量（keV）
2.单位面积注入电荷：Qss ＝I t /A，I：注入束流， t: 时间，A：扫描面积（园片尺寸） 3.单位面积注入离子数(剂量)： Ns ＝ Qss/q =(I t) /(q A) Ns 4.最大离子浓度：NMAX=
2 DR
*注入离子分布

1 x R 2 p N(x)=Nmax exp 2 DR p

N(x):距表面x处的浓度, DRp:查表所得的标准偏差 Nmax:峰值浓度(x=Rp处) Rp:平均投影射程

*离子注ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ结深计算
N (x j ) 1 xR NS p exp DR p 2 2 DR p
注入杂质原子能量损失
携能杂 质离子
硅晶格
Si Si Si X-射线 Si Si Si Si Si Si Si
电子碰撞
Si Si
原子碰撞
Si Si Si Si
被移动的硅原子
Si
Si Si Si
Si
Si
Si
Si
(二)．核碰撞和电子碰撞
不同靶材、不同注入离子的 Ec不同，对于硅靶：B注入 时Ec=15ev,P注入Ec=150ev。 注入能量>>Ec，主要以电子 在LSS理论中，把固体中的电子看为自由电子气。电 阻止形式损失能量，核阻止 子的阻止就类似于黏滞气体的阻力，在注入离子常用 损失的能量可以忽略,则射 12 能量范围内，电子的阻止本领： Se E CV ke E 程： R k1 E1 2 则入射离子主要 其中 V 为注入离子的速度，系数 Ke 与注入离子的原子 E Ec 以核阻止形式损失能量，射 序数、质量、靶材料的原子序数以及质量有着微弱的 程： 关系。无定形靶为一常数。
一.损伤形式
1、孤立的点缺陷或缺陷群， 2、局部非晶层，一般与低剂量的重原子注入有关， 3、非晶层，局部非晶层的相互重叠， 解决：退火、激活
离子束 修复硅晶格结构 并激活杂质－硅键
a) 注入过程中损伤的硅晶格
b) 退火后的硅晶格
二.移位原子数的估算
三．非晶层的形成
四. 损伤区的分布
轻离子，电子碰撞为主，位移少，晶格损伤小，损伤 体积计算见P105
F r r
1 2 2
4M 1 M 2 1 2 TM M 2U 2 E 2 M 1 M 2 2 0
（4.6）
而注入离子与靶原子之间的相应势函数形式为
（4.7） 其中Z1和Z2分别为两个粒子的原子序数，r为距离(只考虑库仑作用时， 对运动缓慢而质量较重的注入离子来说，所得结果与实验不太符合)。 当考虑电子屏蔽作用时，注入离子与靶原子之间 的相互作用的势函数可用下面形式表示：
Mask
Mask
xj
Silicon substrate
Mask
Silicon substrate
a)
低掺杂浓度 (n–, p–) 和浅结深 (xj)
b)
高掺杂浓度 (n+, p+) 和深结深 (xj)
离子注入机
离子注入机
Photograph courtesy of Varian Semiconductor, VIISion 80 Source/Terminal side
2
NB
x j R p DR p
2 ln
Ns 1 2 DR p N B
4.2.2
横向效应

横向系数: B >Sb,约0.5但比热扩散小(0.75-0.85)
4.2.3

沟道效应
入射离子的阻挡作用与晶体取向有关, 可能沿某些方向由原子列包围成直通道 －－沟道，离子进入沟道时，沿沟道前进 阻力小，射程要大得多。
S n E dx n
同样，电子阻止本领定义为:
dE S e E dx e
（4.2）
在单位距离上，由于核碰撞和电子碰撞，注入离子所损失的能量则为:
dE S n E S e E dx
（4.3） 如果知道了Sn(E)和Se(E)，就可以直接对上式积分，求出注入离子在靶内 运动的总路程:
目录
4.1 4.2 4.3 4.4 核碰撞和电子碰撞（核、电子阻止本领、射程估计） 注入离子在无定形靶中的分布（纵向分布、横向效 注入损伤（级联碰撞、简单晶格损伤、非晶形成） 退火（硅的退火特性、硼、磷退火特性，退火中的扩散效应、
应、沟道效应和浅结的形成）
快速退火）
4.1
核碰撞和电子碰撞
设一个注入离子在其运动路程上任一点x处的能量为E，则核阻止本 领可定义为: （4.1） dE
硅片工艺流程中的离子注入
硅片制造 (前端) 硅片起始
薄膜
无图形硅片 完成的硅片 扩散 光刻
抛光
刻蚀
光刻胶掩蔽
测试/拣选 注入后退火
注入 硬膜掩蔽 （氧化硅或氮化硅）
控制杂质浓度和深度
低能 低剂量 快速扫描 高能 大剂量 慢速扫描
离子注入机 掺杂离子 束扫描 掩蔽层
xj
Ion implanter
Beam scan
沿 <110> 轴的硅晶格视图
Used with permission from Edgard Torres Designs
离子入射角与沟道
<100>
<110>
<111>
Used with permission from Edgard Torres Designs

解决办法，偏离此方向，以大于临界角注入。
3．磷的退火特性
杂质浓度达1015以上时出 现无定形硅，退火温度达 到600℃～800℃
热退火的特点

简单、价廉 激活率不高 产生二次缺陷，位错环、层错、位错 加剧
4.扩散效应
5.快速退火
离子注入优缺点
优点：
1）可在较低的温度下，将各种杂质掺入到不同的半导体中； 2）能精确控制掺入基片内杂质的浓度分布和注入深度； 3）可以实现大面积均匀掺杂，而且重复性好； 4）掺入杂质纯度高； 5）获得主浓度扩散层不受故浓度限制； 6）由于注入粒子的直射性，杂质的横向扩散小； 7）可以置备理想的杂质分布； 8）可以通过半导体表面上一定厚度的SiO2膜进行注入而实行掺杂； 9）工艺条件容易控制。
q 2 Z1 Z 2 V r r2
(一).射程的概念
杂质离子的射程和投影射程
入射离 子束
硅衬底 对单个离 子停止点
Rp
DRp杂
质分布
注入能量对应射程图
1.0
注入到 硅中
Projected Range, Rp (mm)
B 0.1
P
As
Sb
0.01
10
100
注入能量 (keV)
1,000
重离子，原子碰撞为主，位移多，晶格损伤大,损 伤体积计算见P105 4.22式
4.4

热退火


退火：将注入离子的硅片在一定温度和真空或氮、氩 等高纯气体的保护下，经过适当时间的热处理， 部分或全部消除硅片中的损伤，少数载流子的寿命及 迁移率也会不同程度的得到恢复， 电激活掺入的杂质 分为普通热退火、硼的退火特性、磷的退火特性、扩 散效应、快速退火

离子注入的概念：将具有很高能量的杂质离子射入半导
体衬底中的掺杂技术。 掺杂深度由注入杂质离子的能量和质量决定，掺杂浓度由 注入杂质离子的数目(剂量)决定。


离子注入特点：

掺杂的均匀性好、污染小 温度低：小于400℃ 可以精确控制杂质分布（数量和深度） 可以注入各种各样的元素、无固溶度的限制 横向扩展比扩散要小得多。 可以对化合物半导体进行掺杂
（4.8） 其中f(r/a)是电子屏蔽函数，a为屏蔽参数（其 大小和玻尔半径同数量级）。一般地说，当r由 零变∞时，应该由1变到零。f(r/a)的最简单形 r a 式可选取下面形式： f a r （4.9） 那么注入离子与靶原子之间的势函数与距离的平 方成反比。
V r q 2 Z1Z 2 r f r a
离子注入到无定形靶中的高斯分布情况
4.2.4
浅结的形成
随集成度的提高，为了抑制MOS晶体管的穿通电流和减小器件的短沟道 效应。要求减小CMOS的源、漏结的结深。而且CMOS器件还要求高的表面掺杂 浓度、低接触电阻以及小的结漏电流。 浅结制造困难较多，①如硼注入形成浅P＋结，问题很多，见书上 （P90)， ②降低注入能量形成浅结，但低能注入时的沟道效应明显，离子 束稳定性，尤其需大束流注入的源、漏区和发射区，问题更严重。由空间电 荷效应造成（带电离子相互排斥造成的。离子的能量低、飞行时间长、导致 离子束发散），可利用宽束流和缩短路径加以解决。 预先非晶化是一种实现P+结的比较理想方法。在注硼前，以重离子高 剂量注入形成表面非晶层，以减小沟道效应；也可注入不激活物质如Si+、 Ce+、Sb＋形成非晶层。注入Si+结深下降20％。注入Ce+ 结深下降40％，具 有更小的缺陷和漏电流。


1．普通热退火
退火时间通常为15--30min，使用通常的扩散炉， 在真空或氮、氩等气体的保护下对衬底作退火处理。 缺点：清除缺陷不完全，注入杂质激活不高，退火温 度高、时间长，导致杂质再分布。
2．硼的退火特性
Ⅰ区单调上升：点缺 陷、陷井缺陷消除、 自由载流子增加 Ⅱ区出现反退火特性： 代位硼减少，淀积在 位错上 Ⅲ区单调上升剂量越 大，所需退火温度越 高。
第四章
离子注入
教师： 潘国峰 E-mail: pgf@hebut.edu.cn
河北工业大学微电子研究所
离子注入技术始于20世纪60年代。离子注入技术大大推 动了半导体器件和集成电路的发展,从而使集成电路的生产进 入超大规模时代。 1952年,美国贝尔实验室就开始研究用离子束轰击技术来改善 半导体的特性。 1954年前后，shockley提出采用离子注入技术能够制造半导体 器件,并且预言采用这种方法可以制造薄基区的高频晶体管。 1955年,英国的W.D.Cmsins发现硼离子轰击锗晶片时，可在N型 材料上形成P型层。到了1960年,对离子射程的计算和测量、辐 射损伤效应以及沟道效应等方面的重要研究已基本完成。离子 注入技术开始在半导体器件生产上得到广泛应用。 1968年，报道了采用离子注入技术制造的、具有突变型杂质分 布的变容二极管以及铝栅自对准MOS晶体管。 1972年后对离子注入现像有了更深入的了解,并且采用离子注 入技术制造具有不少独特优点的砷化镓高速集成电路。 目前，离子注入技术已成为超大规模集成电路制造中不可 缺少的掺杂工艺。
R
E0 dE dE E0 S ( E ) S ( E ) 0 S E S E n e n e 0
（4.4）
E0为注入离子的起始能量。
在p=0时，两球将发生正面碰撞，此时传输的能量最大，用表示： （4.5） 实际上注入离子与靶原子之间还存在着相互作用力（吸引力或排斥 力）。 若忽略外围电子的屏蔽作用，这两个粒子之间的作用力实际上就是库 仑力： q2Z Z